中空注浆锚索在高地应力松软煤巷中的应用研究.pdf

第2 8 卷第2 期采矿与安全工程学报v 0 1 ．2 8N o ．2 2 0 11 年0 6 月 J o u r n a lo fM i n i n g ＆S a f e t yE n g i n e e r i n gJ u n e2 0 11 文章编号1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 1 1 0 2 0 1 9 8 - 0 6 中空注浆锚索在高地应力松软煤巷中的应用研究 姚强岭1 ，李波2 ”，任松杰1 ，李学华1 1 ．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．中国矿业大学 资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．中煤能源集团生产技术管理部，北京 1 0 0 1 2 0 摘要高强度中空注浆锚索与高性能锚杆相结合的组合控制技术，能有效控制高地应力松软煤 巷等该类巷道出现的巷道失稳问题．某矿3 3 1 3 综放工作面回风平巷在深部掘进时出现围岩变形 量大、支护失效等问题，高地应力、围岩性质差和原始锚杆支护参数的不合理是导致巷道失稳的 主要因素．针对该巷道特点，采用高预应力锚杆 索 支护条件下国岩适当让压、中空注浆锚索注 浆以改善顶板大范围内围岩力学性质等技术，有效控制了围岩塑性区发育、提高了顶板囤岩强度 并改善了锚杆受力状态．现场工业性试验表明与前期掘进巷道相比，围岩松动区缩小为1m 左 右，顶板、底板及两帮的变形量分别下降了6 3 ．6 ％，5 3 ．3 ％和5 1 ．7 ％，高地应力松软煤巷的围岩 变形得到了有效控制． 关键词中空注浆锚索；高地应力；松软煤巷；数值模拟；高性能锚杆 中图分类号T D3 5 3文献标识码 A A p p l i c a t i o no fH o l l o wG r o u t e dA n c h o rC a b l ei nS o f t C o a lR o a d w a yU n d e rH i g hI n S i t uS t r e s s Y A OO i a n g l i n 9 1 ，L I1 3 0 2 “，R E NS o n g j i e l ，L IX u e - h u a l 1 ．S c h o o lo fM i n e s ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y 。X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ； 2 ．I n s t i t u t eo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g 。C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 3 ．D e p a r t m e n to fP r o d u c t i o nT e c h n o l o g y ，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p B e i j i n g1 0 0 1 2 0 ，C ．h i n a A b s t r a c tT h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo fh o l l o wg r o u t e da n c h o rc a b l ec o m b i n e dw i t hh i g hp e r f o r m a n c eb o l tc a ne f f e c t i v e l yt h ei n s t a b i l i t yo fh i g hg r o u n ds t r e s sr o a d w a yi ns o f tc o a ls e a m s ． T h e r ea r es o m ep r o b l e m sd u r i n gd e e pd r i v i n gf o rt h er e t u r na i r w a yo ff u l l ym e c h a n i z e ds u b - - l e v - e lc a v i n gf a c e3 31 3i nac o a lm i n e ，s u c ha sg r e a td e f o r m a t i o na n ds u p p o r t i n gf a i l u r e ，e t c ．T h e m a i nf a c t o r so fr o a d w a yi n s t a b i l i t ya r eh i g hg r o u n ds t r e s s ，p o o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs u r r o u n d i n gr o c k ，a n du n r e a s o n a b l es u p p o r tp a r a m e t e r s ．R e l e a s i n gp r e s s u r e u n d e rh i g hp r e - s t r e s s e db o l ts u p p o r t i n ga n di m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o o fs t r a t ai nal a r g er a n g e b yg r o u t i n gu s i n gh o l l o wg r o u t e da n c h o rc a b l ea r et h ek e y so ft h et e c h n o l o g y ．T h i st e c h n o l o g y c a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i cz o n e ，e n h a n c et h es t r e n g t ho fr o o fs t r a t aa n d i m p r o v et h es t r e s ss t a t eo fb o l t a n c h o rc a b l e ．P r a c t i c es h o w st h a tt h et e c h n o l o g yc a nr e d u c e t h ed a m a g e dz o n e st o1ma n dd e c r e a s et h ed e f o r m a t i o no fr o a d w a yr o o f ，f l o o r ，a n dr o a d w a y ’S s i d e sb y6 3 ．6 ％，5 3 ．3 ％a n d5 1 ．7 ％r e s p e c t i v e l y ，w h i c ha l s oe f f e c t i v e l yc o n t r o l st h e d e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ki nt h i sr o a d w a y ． K e yw o r d s h o l l o wg r o u t e da n c h o rc a b l e ；h i g hi n - s i t us t r e s s ；s o f tc o a lr o a d w a y ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；h i g h e f f e c t i v eb o l t 收稿日期2 0 1 0 0 5 1 8 基金项目江苏省“青蓝工程”项目l 国家自然科学基金项目 5 0 9 7 4 1 1 8 ；教育部新世纪优秀人才支持计划项目 N C E T 一0 9 0 7 2 7 ；江苏 高校优势学科建设工程项目 作者简介i t 强岭 1 9 8 2 一 ，河南省兰考县人，博士，从事矿山压力与岩层控镧方面的研究． E - m a l l l y a o q i a n g l i n g 1 2 6 ．c o m T e l l l 3 8 0 5 2 1 0 6 2 4 万方数据 第2 期姚强岭等中空注浆锚索在高地应力松软煤巷中的应用研究 深部软岩巷道一般具有地应力大、围岩松软破 碎以及围岩流变性大等特点．如支护措施不适当， 巷道围岩变形愈加剧烈，最终导致巷道破坏[ 1 习] ．国 内外针对这类巷道，通常采用U 型钢可缩金属支 架、封闭式碹体以及锚杆锚索加固和围岩注浆加固 等方式进行支护E 4 - 6 ] ． 对于围岩破碎范围较大且具有高地应力的松 软煤巷，一般的支护方式难以达到巷道围岩稳定的 要求．实现其巷道围岩稳定的关键在于如何有效控 制较大范围内围岩的变形[ 7 呻] ．因此，本文针对某矿 3 3 1 3 工作面回风平巷的工程实际，采用高强度中 空注浆锚索与高性能锚杆相结合的组合控制技术， 有效地解决了该类巷道的支护问题． I 巷道变形失稳原因分析 3 3 1 3 工作面回风平巷是该矿3 0 3 采区的一条 埋深约为7 0 0m 的巷道，布置在3 煤煤层中，采用 矩形断面 35 0 0m m 27 0 0r a m 沿煤层底板掘 进．采用锚网索支护掘进约9 0m 后，顶煤破碎严 重，顶板平均下沉量2 2 0m m ，局部下沉达到3 0 0 m m 左右；两帮变形也较大，平均位移量1 8 0m m ， 局部达到2 6 0m m ；底鼓现象严重，平均达3 0 0 m m ，局部达4 2 0m m ．通过多点位移计测试，发现 围岩松动区范围约为1 ．5 ～2 ．5m ．为了控制围岩 变形，防止冒顶，缩小了锚索间排距加强支护，但状 况仍未得到改善．通过研究分析，原因有如下几点 I ．I 地应力较大 通过两个原岩应力测点实测，研究得出 1 该矿原岩应力场的第1 主应力为水平应 力，最大水平主应力最高达2 2 ．8 1M P a ，为垂直应 力的1 ．3 6 ～1 ．8 2 倍，且为最小水平主应力的2 ．1 8 ～2 ．4 3 倍，平均最小水平主应力和垂直应力分别 为1 0 ．4 6 ，1 6 ．7 8M P a ． 2 工作面回风平巷与最大水平应力夹角接近 2 0 。，主要受最小水平应力的影响，而最小水平应力 也超过煤体强度，导致顶板矿压显现强烈． 3 在高垂直应力和水平主应力作用下，两帮 煤体变形剧烈，使得其对顶板的支撑作用下降，造 成巷道顶板的实效跨度增大，加剧了巷道顶板的不 稳定性． 1 ．2 围岩力学性质较差 1 顶板为砂质泥岩，厚度约为4m ，其单轴抗 压强度为1 9 ．4M P a ；底板厚度为1 ．3r n ，主要成分 为泥岩，单轴抗压强度为1 5 ．8M P a ；3 煤的平均厚 度为6 ．8m ，其单轴抗压强度为9 ．8 4M P a ．围岩性 质较差，在高地应力作用下，不利于巷道稳定． 2 顶底板主要成分为泥岩，静态崩解试验表 明，岩石试件浸泡约2h 后出现崩解进而破坏． 3 回风平巷四周断层多，构造复杂，发育断层 共9 条．在构造地应力以及巷道开挖引起的应力重 新分布的影响下，断层带附近围岩破碎严重． 1 ．3 原始支护方案不合理 3 3 1 3 工作面回风平巷的原始支护方案是采用 锚网索进行永久支护．选用 1 8m m X 2 0 0 0m m 全 螺纹钢树脂锚杆，顶板5 根，两帮各4 根，间排距 8 0 0m m X 8 0 0m m ；每孔使用两卷Z 2 3 5 0 树脂锚固 剂；锚杆托盘采用1 4 0m m X l 4 0m m 8m m 钢板 托盘，与钢带配合使用；锚杆预紧扭矩为1 5 0N m ；锚索直径1 7 ．8m m ，长度6 ．3m ，顶板布置3 根，间排距为13 0 0m m X8 0 0m m ；每孔使用3 支 Z 2 3 5 0 型树脂锚固剂；锚索托盘采用2 0 0m m X 2 0 0 m m 1 0m m 钢板；锚索预紧力不小于1 0 0k N ；金 属网为夺4m m 钢丝制作的5 0m m X5 0m m 经纬 网，顶板金属网规格3 9 0 0m m X9 0 0m m ，两帮金属 网规格2 5 0 0m m 9 0 0m m ． 对于通常有1 ～2m 厚的松动层的煤巷顶板， 低预应力支护不能有效控制其弱面离层、滑动，达 不到应有的支护效果，不能形成有效地主动支护． 支护材料具备一定强度的同时，并具有一定的柔 性，以防高强度支护破断失效[ 10 | ，这对于控制高地 应力巷道显得尤为重要．3 3 1 3 工作面回风平巷围 岩破碎范围较大，由于原始支护中锚杆参数不合理 以及锚杆锚索不匹配等，围岩条件未能得到改善， 煤体破碎导致锚固承载力降低，使得锚固作用不能 充分发挥． 研究表明，高地应力、围岩性质差和原始锚网 索支护参数的不合理，导致了巷道失稳． 2 巷道围岩控制对策 2 ．1 支护思想 针对3 3 1 3 工作面回风平巷高地应力且围岩破 碎范围较大的工程实际，并通过分析原始支护方 案，现提出以下控制对策 1 高阻让压，充分利用围岩承载能力 在高地应力作用下的巷道，不论采取何种支护 方式，围岩不可避免地要进入塑性状态．在此期间， 应及时采用高预应力支护，形成顶板预应力承载结 构，加强顶板自稳能力，以避免岩体继续松动破坏； 同时充分利用预应力支护结构的柔性特点，实现高 阻让压，使围岩最大限度的发挥塑性区承载能力而 万方数据 } r ％i 垒I 中煤能源集团生产技术管理部,北京,100120 刊名 采矿与安全工程学报 英文刊名JOURNAL OF MINING AND SAFETY ENGINEERING 年，卷期2011,282 参考文献15条参考文献15条 1.康红普;姜铁明;高富强 预应力锚杆支护参数的设计 200807 2.方新秋;何杰;何加省 深部高应力软岩动压巷道加固技术研究 200906 3.李学华;杨宏敏 动压软岩巷道锚注加固机理与应用研究 200602 4.许兴亮;张农;徐基根 高地应力破碎软岩巷道过程控制原理与实践 200701 5.范秋雁 论软岩支护中的让压技术-兼谈新奥法的让压理论 199302 6.张农;高明仕 煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用 200405 7.王襄禹;柏建彪;李伟 高应力软岩巷道全断面松动卸压技术研究 200801 8.万志军;李学华;刘长友 深井复杂条件下回采巷道高强度锚杆支护技术 200406 9.李国峰;蔡健;郭志飚 深部软岩巷道锚注支护技术研究与应用 200704 10.何满潮 煤矿力学软岩变形机制与支护对策 199702 11.贾明魁 锚杆支护煤巷冒顶成因分类新方法 200505 12.刘长武;陆士良 泥岩遇水崩解软化机理的研究 200001 13.王连国;李明远;王学知 深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究 200516 14.陆士良;姜耀东 支护阻力对软岩巷道围岩的控制作用 199801 15.柏建彪;侯朝炯 深部巷道围岩控制原理与应用研究 200602 本文链接